基于多傳感器的火電廠煤粉報警系統研究

陳節濤

(國家能源集團 湖北漢川發電有限公司，湖北 漢川 431614)

火電廠高爐煤粉噴吹是火電發電的重要步驟[1-2]，高爐煤粉在噴吹過程中，會造成高爐內煤粉濃度過高。在一定空間內煤粉濃度超標不僅危害工作人員身體健康，也存在較高的爆炸風險[3-5]。為規范火電廠發電步驟，保障發電設備和工作人員安全和健康，對高爐內煤粉濃度超標進行報警十分有必要。包鵬贊等[6]設計了配煤系統中短信報警系統，其利用C#語言編程編寫報警程序，以調取煤粉濃度監控數值的形式實驗煤粉濃度超標報警。李劍波等[7]使用紅外傳感器采集兩相氣流數值，使用氣相色譜方式測定兩相氣流數值內的煤粉濃度，然后利用用戶端的監視器向用戶發送煤粉濃度報警信息。上述兩種系統雖均可實現煤粉濃度超標報警，但前者對當前煤粉濃度監控效果需求較高，當其煤粉濃度監測效果不佳時，其報警效果不理想。后者則在使用氣相色譜檢測煤粉濃度時所需時間較長，導致煤粉超標時報警效果不夠及時。為使煤粉濃度報警結果更為精準和報警效果更佳，本文設計基于多傳感器的火電廠煤粉報警系統。利用多傳感器采集煤粉濃度信息，使其煤粉濃度數據更為全面和準確。

1 火電廠煤粉報警系統總體結構

以B/S結構設計火電廠煤粉報警系統，該系統結構如圖1所示。火電廠煤粉報警系統使用多個電容傳感器采集高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度數據后，使用ZigBee無線傳輸模塊你的路由器和協調器將其傳輸到CPU微控制器內。CPU微控制器使用LCD顯示報警模塊內的基于最小二乘法的多點數據處理算法繪制煤粉濃度分布曲面，當濃度分布曲面超過設定的報警閾值時，將報警信息反饋給CPU微控制器。CPU微控制器利用CAN通信模塊與CAN總線連接監控主機，通過監控主機向用戶發送煤粉超標報警畫面和報警提示音。

圖1 火電廠煤粉報警系統總體結構Fig.1 Overall structure diagram of pulverized coal alarm system in thermal power plant

2 系統的硬件設計

2.1 ZigBee無線傳輸模塊設計

ZigBee無線傳輸模塊是實現煤粉報警的關鍵，其是連接粉塵濃度傳感器與監控主機的橋梁[8]。ZigBee無線網絡架設如圖2所示。ZigBee無線傳輸模塊的無線網絡內由若干個粉塵傳感器采集點組成，使用網狀網結構設計粉塵傳感器節點，使其與路由器形成星型結構。該結構的粉塵傳感器節點通信傳輸性能更為穩定的同時，可較大程度地保障數據不出現丟失情況[9-10]。各個路由器之間互相連接形成路由器網狀結構后與協調器相連。利用協調器與監控主機相連形成火電廠煤粉報警系統完整的通信傳輸網絡。用戶通過監控主機向網絡發送煤粉濃度采集命令后，協調器負責發起網絡并分配設備網絡地址、控制節點的加入和退出。路由器負責接收粉塵傳感器節點并將其傳輸給協調器。

圖2 ZigBee無線網絡架設示意Fig.2 Schematic diagram of ZigBee wireless network erection

2.2 多傳感器煤粉濃度采集電路設計

煤粉濃度采集為氣固相流范疇[11-13]。其采集方法眾多，其中電容法是以煤粉和空氣兩相流混合物的等效介電常數受煤粉濃度變化情況得到煤粉濃度的方式。電容法使用電容傳感器可做到非接觸式煤粉濃度信息采集，其在工業領域應用極為廣泛[14]。在此選擇型號為RN20-M18T電容傳感器采集高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度數據。電容法采集煤粉濃度時的電路如圖3所示。在多傳感器煤粉濃度采集電路中使用DDS信號發生器向電容傳感器內置極板發出一組激勵信號和一組參考信號。其中激勵信號經過TIA跨組放大器放大后，再通過交流放大器進行放大處理得到一組直流調制信號。直流調制信號和參考信號均輸入到模擬乘法器內，經過信號模擬和濾波處理后，經由ADC數模轉換器傳輸到微控制器內備用。

圖3 多傳感器煤粉濃度采集電路示意Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor pulverized coal concentration acquisition circuit

3 系統的軟件設計

3.1 運行驅動程序設計

火電廠煤粉報警系統的驅動是保證其正常運行的關鍵之一，系統的驅動程序越穩定，則系統的魯棒性越強[15-16]。在此使用DDK驅動包內的分層驅動程序作為本文系統的驅動。該驅動程序啟動周期較短且其運行代碼數量少，驅動運行順暢。分層驅動程序驅動流程如圖4所示。分層驅動程序主要由上層過濾驅動程序和下層驅動程序構成。當用戶發出煤粉濃度采集、傳輸等命令時[17-19]，驅動程序將該命令轉換成請求派遣包。請求派遣包經過上層過濾驅動程序、下層驅動程序后，被發送到總線驅動程序內。利用總線驅動程序啟動功能設備對象執行相應命令[20]，即完成整個系統指令的驅動。

圖4 分層驅動程序驅動流程示意Fig.4 Schematic diagram of layered driver driving process

3.2 基于最小二乘法的煤粉報警程序

火電廠煤粉報警系統的LCD顯示報警模塊接收到電容傳感器采集到的煤粉濃度信息后，使用最小二乘法對煤粉濃度信息進行曲面擬合，并繪制不同時刻的煤粉濃度分布曲面，得到高爐煤粉噴吹過程中煤粉量濃度等級信息。然后設置煤粉超標等級閾值將當期高爐煤粉濃度等級與所設置的閾值進行對比，當其煤粉濃度超標時，向用戶發出相應的畫面報警和聲音報警。將上述過程以軟件編程方式寫入到系統的LCD顯示報警模塊內，通過啟動該模塊即可實現煤粉超標報警，其軟件運行過程如圖5所示。

圖5 LCD顯示報警模塊報警流程Fig.5 Alarm flow of LCD display alarm module

4 系統性能測試與分析

以某火電廠的高爐為測試對象，使用本文系統對該高爐煤粉噴吹過程中的煤粉傳輸流量濃度超標進行報警。為既簡化測試過程又保障測試結果具備較高的可靠性，使用Matlab仿真軟件模擬高爐煤粉噴吹過程，并設置不同測試環境，以驗證本文系統的應用效果。

4.1 通信性能測試

頻譜效率是指信息在傳輸過程中每秒每Hz速率，其是衡量通信傳輸指標之一。以頻譜效率為衡量指標，分析本文系統在不同數量通信節點情況下，其通信頻譜效率理想值與實際值曲線，結果如圖6所示。分析圖6可知，本文系統在通信時的頻譜效率數值與通信節點數量呈正相關關系。其中在通信節點不超過1 000個，系統通信時的頻率效率數值與理想值存在一定差距，但相差數值不大。此時理想的頻譜效率數值和本文系統實際的頻譜效率數值曲線表現為較大幅度上升趨勢。當通信節點數量超過1 000個之后，理想的頻譜效率和本文系統實際的頻率效率數值呈現穩定狀態，此時二者曲線逐漸重合，說明此時系統通信時的頻譜效率數值為理想數值。綜上所述，本文系統在通信過程中通信節點數量越多，其通信效果越符合理想數值，其較為適合傳輸較大的數據量，具備較好的通信性能。

圖6 通信性能測試結果Fig.6 Communication performance test results

4.2 及時性測試

在Matlab仿真軟件內設置10次煤粉濃度超標狀況，并設置報警閾值不得超過30 s。測試本文系統報警時間與發生煤粉濃度超標狀況時間，分析系統煤粉濃度報警的及時性，結果見表1。由表1可知，在10次煤粉濃度超標報警測試中，系統報警時間與發生煤粉濃度超標時間之差最大為16 s，最小僅為3 s。其中最大數值較所設閾值低14 s。該數值說明本文系統可有效在煤粉濃度發生超標時及時向用戶發出報警提示，且其報警時間較為及時。

表1 煤粉濃度超標報警及時性測試結果Tab.1 Timeliness test results of over standard alarm of pulverized coal concentration

4.3 報警效果測試

在仿真軟件內設置煤粉濃度超標狀況，測試本文系統畫面報警效果，結果如圖7所示。分析圖7可知，在煤粉濃度報警畫面中，用戶可觀察到火電廠高爐當前壓力數值，以及該壓力開始時間、持續時間以及保持該壓力的剩余時間。還有煤粉濃度閾值和當前濃度數值。從煤粉當前濃度數值可看出該數值已超過所設置的煤粉濃度閾值，因此本文系統向用戶發出濃度已超標紅色報警框，且為用戶呈現了報警等級。綜上所述，本文系統可有效在高爐煤粉濃度超標時向用戶發出畫面報警。

圖7 系統畫面報警測試結果Fig.7 System screen alarm test results

為更充分呈現本文系統報警效果，下面從語音報警角度展開測試。在Matlab仿真軟件內設置8次煤粉濃度超標情況，測試本文系統語音報警功能，結果見表2。

表2 煤粉濃度超標語音報警測試結果Tab.2 Test results of voice alarm for excessive pulverized coal concentration

分析表2可知，本文系統在煤粉濃度超標時，可有效向用戶發送語音報警信息，并播報當前煤粉濃度和已超標數值，便于用戶及時調整火電廠高爐吹煤相關參數。且每次語音報警在用戶未手動終止情況下均播報3次，每次持續1 min，能有效提醒工作人員注意報警。

綜上所述，本文系統的語音播報能力較好，具備較強的應用性。

4.4 兼容性測試

首先驗證本文系統的兼容性。系統的兼容性是描述其軟件和硬件適用于多種運行環境內的適應度，由于火電廠設備環境不同，計算機裝機配置不同，因此對系統兼容性要求較高。在此分別從軟件、版本、網絡的兼容角度展開測試，分析本文系統的兼容性，結果如圖8所示。分析圖8可知，本文系統在軟件和網絡方面的兼容度數值較高，其中軟件的兼容度已達到98%左右，而網絡兼容度為97%左右。版本的兼容度稍低，說明本文系統在運行時對瀏覽器以及硬件版本存在一定需求。但其兼容度數值依然達到85%左右，說明本文系統支持大多數的計算機運行環境，在應用過程中無須更換火電廠現有計算機軟硬件，其具備較好的兼容性。

圖8 系統兼容性測試結果Fig.8 System compatibility test results

5 結語

本文設計基于多傳感器的火電廠煤粉報警系統，在該系統內使用若干個電容傳感器采集火電廠高爐煤粉噴吹過程中的煤粉濃度。電容傳感器通過連接采集電路，以采集煤粉和空氣兩相流混合物的等效介電常數形式描述當前煤粉濃度。該種煤粉濃度采集方法為無接觸式采集方法且不受環境影響。使用Matlab仿真軟件搭建仿真環境測試本文系統的應用效果，測試結果表明，本文系統在不同運行環境下具備較強的兼容性；通信傳輸時的頻譜效率在通信節點超過1 000個后接近理想數值；具備較好的煤粉濃度畫面報警和語音報警功能，應用性良好。